Hjernestimulation og synstest

Objektiv

En indflydelsesrig model for kortikal organisation foreslår, at primats visuelle system er opdelt i to funktionelt adskilte veje (Ungerleider & Mishkin, 1982). Den ventrale eller hvilken visuelle vej, som projicerer fra occipital cortex ind i den ventrale temporale cortex, bruges primært til genkendelse og identifikation af objekter. Den dorsale eller where-vej, som projicerer fra occipital cortex ind i parietal cortex, bruges primært til at lokalisere objekters position i synsfeltet og til handlingsplanlægning. I den foreslåede serie af eksperimenter vil vi undersøge, hvordan neurale repræsentationer i de ventrale og dorsale veje bidrager til en række kognitive opgaver, herunder genkendelse af objekter og scener, opmærksomhedsvalg og ansigtsbehandling. Disse eksperimenter vil primært bruge transkraniel magnetisk stimulation (TMS) eller transkraniel elektrisk stimulation (tES) i kombination med funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI).

TMS og tES giver unikke eksperimentelle værktøjer til studier af menneskelig kognitiv funktion, fordi de kan bruges til forbigående og sikkert at forstyrre eller forbedre den neurale behandling i en målrettet kortikal region, mens forsøgspersoner udfører samtidige adfærdsmæssige opgaver, der afhænger af operationerne i denne region. Desuden kan TMS og tES kombineres med neuroimaging teknikker såsom fMRI for at undersøge fjernvirkningerne af den inducerede neurale forstyrrelse i andre opgaveafhængige regioner fordelt på tværs af cortex. Vi planlægger at bruge TMS og tES til at løse ubesvarede spørgsmål vedrørende funktionen af ​​de distribuerede neurale netværk for forskellige kategorier af objektgenkendelse og i den menneskelige hjernes opmærksomhedsnetværk.

Studiebefolkning

Vi planlægger at teste 665 neurologisk normale forsøgspersoner i alderen mellem 18 og 50 år. Forsøgspersoner vil også deltage i et fMRI-eksperiment forud for eventuelle efterfølgende TMS- eller tES-eksperimenter for at lokalisere stimuleringsstederne af interesse.

Design

Målet med den foreslåede serie af eksperimenter er at undersøge virkningerne af TMS- og tES-induceret neurale forstyrrelser eller forbedringer på adfærdsmæssig opgaveudførelse og de neurale korrelater af den nedsatte ydeevne målt med fMRI. Disse eksperimenter kan i store træk opdeles i undersøgelser, der bruger online og offline TMS eller tES. I online-eksperimenter vil TMS eller tES blive anvendt under adfærdsmæssige opgaver. I off-line eksperimenter vil theta burst stimulation (TBS) eller tES blive leveret før den eksperimentelle opgave, og off-line eksperimenter kan kombinere TBS eller tES med fMRI.

1. TMS- eller tES-målstedslokalisering

   Forud for både online og offline undersøgelser vil forsøgspersoner deltage i et fMRI-eksperiment designet til at lokalisere særlige kortikale regioner af interesse (ROI'er). fMRI-eksperimentet vil kræve, at forsøgspersonen ser enten en række forskellige objektkategorier (f. ansigter, kroppe, scener) eller flimrende sektioner af sorte og hvide skakbrætter i fMRI-scanneren. Resultaterne af disse fMRI-eksperimenter vil blive brugt til at identificere områder af cortex, som derefter vil blive målrettet med TMS eller tES. Vi vil identificere TMS- og tES-målsteder ved hjælp af den stereotaktiske Brainsight-samregistreringssoftware, og hovedbundens placering vil blive markeret individuelt på hvert emne.

2. Online adfærdsmæssige TMS-eksperimenter

   Online TMS-eksperimenter er designet til kun at adressere de direkte virkninger af den inducerede neurale forstyrrelse på det målrettede TMS-sted. TMS leveres under hvert forsøg for at vurdere effekterne på samtidig opgaveudførelse. Forsøgspersoner vil udføre en række visuelle adfærdsopgaver, mens online-TMS leveres over den kortikale region af interesse eller over kontrolsteder (f.eks. toppunkt). Gentagende TMS vil blive leveret med en frekvens på 10Hz i 500ms. I nogle eksperimenter vil vi alternativt levere dobbelt-puls TMS ved forskellige latenser efter stimulusstart for at vurdere, hvornår den målrettede region sandsynligvis vil være involveret i opgaveudførelse.

3. Offline TBS-eksperimenter

   Offline thetaburst (TBS) eksperimenter er også designet til at vurdere virkningerne af den inducerede forstyrrelse i den stimulerede region. I stedet for at levere TMS under hvert eksperimentelt forsøg, leveres Thetaburst TMS (TBS) over det målrettede område af interesse (ROI) i latenstider op til 60 sekunder før forsøgspersonen udfører en adfærdsmæssig opgave. De neurale virkninger af denne inducerede forstyrrelse har så vist sig at vare i op til 30 minutter (Huang et al., 2005). I offline-TBS-eksperimenterne foreslår vi at levere 60 sekunder af TBS over det stimulerede ROI. I nogle af de foreslåede forsøg vil deltagerne derefter blive placeret i en fMRI-scanner før og efter TBS-stimulering. Under begge fMRI-sessioner vil forsøgspersoner udføre en række visuelle diskriminationsopgaver for at vurdere virkningerne af TBS-forstyrrelser både på deres adfærd og på aktivitet i fjerntliggende kortikale områder målt med BOLD-aktivering.

4. Online og offline tES-eksperimenter

Adfærdsmæssige påvirkninger af tES kan optages både online og offline samtidigt inden for den samme session og ved hjælp af den samme protokol. Online tES undersøger den direkte effekt af neural stimulation, mens en deltager udfører en opgave (Tyler et al., 2018). I modsætning til TMS er online tES muligt, da de subkutane stimuleringseffekter er små eller uopfattede, har ingen auditiv påvirkning og kræver ingen eksperimenter involvering. Når overfladeelektroderne er på plads, er deltageren fri til at handle selvstændigt. Offline tES undersøger tidsforløbet for adfærdspåvirkning efter stimulering. Offline-effekterne af tES varer op til 60 minutter efter stimulering (Terney et al., 2008; Herpich et al., 2019). Vi kan levere enten jævn- eller vekselstrøm tES i maksimalt 20 minutter ved en intensitet under 4mA (Antal et al., 2017; Rossi & Antal, 2020).

Resultatmål

De afhængige variabler i online adfærdsmæssige TMS- eller tES-eksperimenter vil være præstationsnøjagtighed, følsomhed (d ) og reaktionstid (RT) mål indsamlet under de samtidig udførte adfærdsopgaver. Afhængige variabler i offline fMRI-TBS- eller fMRI-tES-eksperimenterne vil være opgaveudførelse samt reduceret neuronal aktivitet målt ved nedsat BOLD-aktivering i de målrettede og fjerntliggende ROI'er.